CN116511407A - 一种镦粗工装以及大截面储能飞轮锻件及其锻造方法 - Google Patents

一种镦粗工装以及大截面储能飞轮锻件及其锻造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种镦粗工装以及大截面储能飞轮锻件的锻造方法，属于锻造技术领域，解决了现有的锻造方法存在的轴颈下料难、端部弃料多的问题。所述镦粗工装用于锻造储能飞轮锻件，包括上盖板和下漏盘；所述上盖板设置有盖板内孔，所述盖板内孔的直径大于预制坯上轴颈的直径；所述下漏盘设置有漏盘内孔，所述漏盘内孔的直径大于预制坯下轴颈的直径。该工装可实现轴身的成形处理以及压实，成型简单、弃料少。

Description

一种镦粗工装以及大截面储能飞轮锻件及其锻造方法
技术领域
本发明涉及锻造技术领域，尤其涉及一种镦粗工装以及大截面储能飞轮锻件及其锻造方法。
背景技术
储能飞轮系统作为一种新型机械式能量存储装置，被广泛应用于电网调频，尖峰保障响应，不间断电源等众多领域，其中，飞轮锻件是该储能系统的核心部件，飞轮锻件内部质量的好坏是直接影响储能飞轮系统能否长时间运行的关键。
飞轮锻件属于大截面锻件且轴身和轴颈截面差大，由于飞轮锻件自身的结构特点，从传统轴类锻件拔长下料方式来看，两端轴颈不易实施，要想保证轴颈端部在下料拔长过程中不形成凹心，就必须保证足够的下料量，对于大截面飞轮锻件来说，足够的下料量势必造成端部弃料多，材料利用率低等一系列问题。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种镦粗工装以及大截面储能飞轮锻件及其锻造方法。用以解决现有的飞轮锻件锻造方法存在的轴颈下料难、端部弃料多等诸多问题。
一方面，本发明实施例提供了一种镦粗工装，所述镦粗工装用于锻造储能飞轮锻件，包括上盖板和下漏盘；
所述上盖板设置有盖板内孔，所述盖板内孔的直径大于预制坯上轴颈的直径；
所述下漏盘设置有漏盘内孔，所述漏盘内孔的直径大于预制坯下轴颈的直径。
优选地，所述上盖板的高度比所述预制坯上轴颈的高度高50-150mm。
第二方面，本发明还提供了一种大截面储能飞轮锻件的锻造方法，所述锻造方法包括：
步骤1、第一火次：在钢锭的冒口端压钳口，对钢锭进行倒棱拔长和去锭底；
步骤2、第二火次：使用镦粗漏盘、镦粗盖板对步骤1得到的坯料进行第一次镦粗，并采用KD法拔长坯料；
步骤3、第三火次：对坯料的水口端和冒口端进行拔长下料，拔长后的水口端为上轴颈，拔长后的冒口端为下轴颈；
步骤4、第四火次：采用上述镦粗工装对步骤3得到的预制坯进行第二次镦粗处理，所述上轴颈位于所述上盖板的盖板内孔中，所述下轴颈位于下漏盘的漏盘内孔中；对第二次镦粗处理后的预制坯进行拔长出成品。
优选地，步骤2中，所述第一次镦粗的镦比≥1.7，所述KD法拔长的拔比≥2.5。
优选地，步骤3中，对水口端的拔长下料的长度＜所述上盖板的高H上。
优选地，所述上盖板的盖板内孔的直径D0与所述上轴颈的直径d0的关系为：50≤D0-d0≤150mm。
优选地，所述下漏盘的漏盘内孔的直径D1与所述下轴颈的直径d1的关系为：50≤D1-d1≤100mm。
优选地，步骤4中，所述第二次镦粗的镦比≥2。
第三方面，本发明还提供了上述锻造方法得到的储能飞轮锻件。
优选地，所述储能飞轮锻件的轴身截面直径大于1500mm，且所述储能飞轮锻件的轴身与轴颈截面直径的差值大于1000mm。
与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：
1、本发明的镦粗工装能够用于飞轮锻件的成形和压实。采用本发明的镦粗工装进行镦粗处理时，将飞轮锻件预制坯的上轴颈放入盖板内孔内，将预制坯的下轴颈放入漏盘内孔内，可实现轴身锻件的镦粗成形以及压实。
2、本发明在出成品火次前，将两端轴颈下好料，并利用本发明的镦粗工装在出成品火次实现轴身锻件成形，相比轴身拔长出成品的成形方式，具有轴颈端部弃料少、材料利用率高、不形成凹心的优势。
3、由于本发明的镦粗工装都有内孔(通孔或盲孔均可)，比较适合近似于“十”字形锻件，即轴身的截面直径大，且轴身与轴颈的截面直径差较大的锻件，利用预先下好料的轴颈与镦粗工装相互配合，实现飞轮锻件的镦粗成形，因此，本发明的镦粗工装和锻造方法适用于大截面锻件、且轴身和轴颈截面相差较大的飞轮锻件。
4、本发明通过“镦粗、KD法拔长+镦粗成形”主变形工艺，有效保证飞轮锻件的心部疏松、缩孔类缺陷的充分压实，锻造出本体均匀的合格锻件。
5、本发明出成品火次(第四火次)经过大镦比镦粗-拔长变形，可有效避免传统方法出成品火次因锻件心部变形量小而无法获得再结晶组织导致的混晶现象，从而保证了锻件轴身各部位组织及晶粒度的均质性，使锻件硬度和强度波动性满足标准要求。
本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1A为本发明的镦粗工装的上盖板的剖面结构示意图；
图1B为本发明的镦粗工装的下漏盘的剖面结构示意图；
图2为本发明的步骤1中第一火次示意图；
图3为本发明的步骤2中第二火次的第一次镦粗示意图；
图4为本发明的步骤2中第二火次的KD拔长示意图；
图5为本发明的步骤3中第三火次的拔长下料示意图；
图6为本发明的步骤4中第四火次的第二次镦粗示意图；
图7为本发明的方法锻造得到的储能飞轮锻件。
附图标记：
1-上盖板；101-盖板内孔；2-下漏盘；201-漏盘内孔；3-钢锭锭身；4-水口端；5-上平砧；6-冒口端；7-下V砧；8-KD上V砧；9-KD下V砧；10-水口端弃料；11-冒口端弃料；H上-上盖板高度；D0-盖板内孔直径；d0-上轴颈直径；D1-漏盘内孔直径；d1-下轴颈直径。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
储能飞轮锻件的结构如图7所示，包括轴身和位于轴身两端的轴颈，所述储能飞轮锻件属于大截面锻件且轴身和轴颈截面相差大，现有的轴类锻件锻造方法不适合锻造储能飞轮锻件。
由此，一方面，本发明提供了一种镦粗工装，如图1A和1B所示，所述镦粗工装用于锻造储能飞轮锻件，包括上盖板1和下漏盘2；
所述上盖板1设置有盖板内孔101，所述盖板内孔101的直径大于预制坯上轴颈的直径；
所述下漏盘2上设置有漏盘内孔201，所述漏盘内孔201的直径大于预制坯下轴颈的直径。
可以理解的是，所述盖板内孔101用于放入预制坯的上轴颈，所述漏盘内孔201用于放入预制坯的下轴颈。
现有的常规镦粗工装通常包括上盖板和下漏盘。常规的镦粗工装的下漏盘与本发明的下漏盘结构相似，但是现有的上盖板没有用于放置轴颈的内孔，因此，本发明的工装与常规工装对预制坯的要求有所不同，现有的常规工装使用时，无需提前下料，直接用于钢锭锭身的镦粗压实工序，即只能对钢锭整体镦粗。本发明的工装使用前，需要拔长下料两端轴颈，将预制坯的上轴颈放入盖板内孔101内，下轴颈放入漏盘内孔201内，单独对轴身锻件进行镦粗，使轴身锻件充分压实并满足尺寸要求。本发明利用预制坯的两端轴颈与镦粗工装相互配合，可以实现飞轮锻件的轴身镦粗成形。因此，本发明的镦粗工装和锻造方法适用于大截面锻件、且轴身和轴颈截面相差较大的飞轮锻件。
在一种实施方式中，为了方便镦粗后产品脱模，避免在上盖板1的盖板内孔101中抱死，所述上盖板1的高度比所述预制坯的上轴颈的高度高50-150mm。
本发明中，可以根据轴颈尺寸综合调整上盖板1和下漏盘2的高度及其内孔直径。
示例性地，所述上盖板1的高度H上为700-800mm。下漏盘2的高度为1000-1400mm。
示例性地，所述盖板内孔101的直径为800-1000mm，所述漏盘内孔201的直径为750-950mm。
示例性地，所述盖板内孔101可以为通孔或盲孔，所述漏盘内孔201为通孔。
在一种实施方式中，为了使锻件有利于脱模，所述盖板内孔101的拔模斜度设置为3-20°，进一步优选为5°。
在一种实施方式中，为了保证锻件端面(靠近漏盘侧)在拔长火次不易形成凹心，需在漏盘结构设计上增加一定的斜度，所述下漏盘2上表面向下倾斜，上表面与水平面的夹角为5-15°，进一步优选为10°。第二方面，本发明还提供了一种大截面储能飞轮锻件的锻造方法，所述锻造方法包括：
步骤1、第一火次：在钢锭坯料的冒口端压钳口，对坯料进行倒棱拔长和去锭底；
步骤2、第二火次：使用镦粗漏盘、镦粗盖板对步骤1得到的坯料进行第一次镦粗，并采用KD法拔长坯料；
步骤3、第三火次：对坯料的水口端和冒口端进行拔长下料，拔长下料后的水口端为上轴颈，拔长下料后的冒口端为下轴颈；
步骤4、第四火次：采用上述镦粗工装对步骤3得到的预制坯进行第二次镦粗处理，所述上轴颈位于所述上盖板1的盖板内孔101中，所述下轴颈位于下漏盘2的漏盘内孔201中；对第二次镦粗成形后的预制坯进行拔长出成品。
与现有技术相比，本发明的方法中，出成品火次前，将两端轴颈下好料，并利用镦粗工装在出成品火次实现轴身锻件成形，相比轴身拔长出成品的成形方式，具有轴颈端部弃料少、材料利用率高，不形成凹心的优势。本发明通过“镦粗、KD法拔长+镦粗成形”主变形工艺，有效保证飞轮锻件的心部疏松、缩孔类缺陷的充分压实，锻造出本体均匀的合格锻件。
需要说明的是，如图2所示，所述钢锭包括钢锭锭身3以及分别位于钢锭锭身3两端的水口端4和冒口端6。第一火次中，对冒口端6压钳口。
为了保证在后续镦粗过程中钳口能够放入下漏盘，步骤1中，所述钳口的直径与所述下漏盘的内孔直径相匹配。
本发明中，步骤1中，如图2所示，采用上平砧5、下V砧7对钢锭坯料进行压钳口和倒棱拔长。
本发明中，步骤2中的第一次镦粗和KD法拔长的作用是使钢锭锭身中心压实，避免锻件心部疏松、缩孔类缺陷的存在。
具体来说，所述第一次镦粗使用的镦粗工装为常规镦粗工装，包括上盖板和下漏盘。
如图3所示，执行第一次镦粗工序时，将钳口端放入下漏盘2的内孔中，上盖板(图中未示出)放在坯料的顶端，进行整体镦粗处理。
示例性地，步骤2中，所述第一次镦粗的镦比≥1.7，进一步优选为1.7-2.5。
本发明中，步骤2中，如图4所示，所述KD法拔长采用的是KD上V砧8和KD下V砧9。
示例性地，步骤2中，为了有效锻合缺陷，所述KD法拔长的拔比
≥2.5，进一步优选为2.5-4。
进一步地，为了保证坯料的充分压实，改善铸态组织，减小缺陷，
获得致密性组织，KD法拔长时道次间错砧布置，每砧的压下率≥20％，5进一步优选为每砧压下率在20％-25％。KD法拔长后彻底清理锻件表面的裂纹。
本发明的步骤3中的第三火次的作用是为第四火次镦粗成形做准备，如图5所示，对坯料的水口端和冒口端进行拔长下料，形成轴身和两端轴颈。
0示例性地，采用上平砧、下V砧对坯料的水口端和冒口端进行拔长下料。
为了防止在第二次镦粗前轴颈超出上盖板1和下漏盘2的高度，步骤3中，对水口端拔长下料的长度＜所述上盖板1的高度H上。对冒口端拔长下料的长度＜下漏盘2的高度。
5为了符合附具工装高度限制要求，如图5所示，切除水口端弃料10和冒口端弃料11。
在保证上下轴颈满足锻件图要求的前提下，为了便于上轴颈进入盖板内孔101以及避免镦粗后上轴颈与盖板内孔101抱死，所述上盖板1的盖板内孔101的直径D0与所述上轴颈的直径d0的关系为：50≤D0-d00≤150mm。
为了便于下轴颈进入漏盘内孔201以及避免镦粗后下轴颈与漏盘内孔201抱死，所述下漏盘2的漏盘内孔201的直径D1与所述下轴颈的直径d1的关系为：50≤D1-d1≤100mm，下料后的轴身直径大于D0和D1。
本发明中，所述第四火次中的第二次镦粗的作用是轴身成形以及进5一步压实。
所述第二次镦粗采用的是本发明所述的镦粗工装，如图6所示，将上轴颈放在上盖板1的盖板内孔101中，将下轴颈放在下漏盘2的漏盘内孔201中，镦粗形成轴身。
示例性地，为了更有效的锻合缺陷，步骤4中，所述第二次镦粗的镦比≥2，进一步优选为2-4。
本发明中，所述第四火次中，对第二次镦粗处理后的预制坯进行拔长出成品，包括；对预制坯的两端轴颈进行拔长出成品。
示例性地，采用上平砧、下V砧对两端轴颈进行拔长。
第三方面，本发明还提供了上述锻造方法得到的储能飞轮锻件。
所述储能飞轮锻件各部位组织均匀致密，锻件强度指标波动性小于20Mpa，硬度指标波动性小于等于10HBW，锻件心部未发现φ1.6mm当量以上超标缺陷，完全满足锻件标准要求。
示例性地，所述储能飞轮锻件的轴身截面直径大于1500mm，且所述储能飞轮锻件的轴身与轴颈的截面直径的差值大于1000mm。
下面，通过具体实施例进一步说明本发明的镦粗工装以及储能飞轮锻件及其锻造方法。
实施例1
一种镦粗工装，如图1A和1B所示，所述镦粗工装用于锻造储能飞轮锻件，包括上盖板1和下漏盘2；
所述上盖板1设置为通孔，所述通孔为盖板内孔101，盖板内孔101的直径大于坯料上轴颈的直径；盖板内孔101的拔模斜度设置为5°。
所述下漏盘2上设置为通孔，所述通孔为漏盘内孔201，漏盘内孔201的直径大于坯料下轴颈的直径。所述下漏盘2上表面向下倾斜，上表面与水平面的夹角为10°。
所述上盖板1的高度H上为750mm，下漏盘2的高度为1200mm。所述盖板内孔101的直径为900mm，所述漏盘内孔201的直径为850mm。
实施例2
一种储能飞轮锻件的锻造方法，锻造对象为材质35Cr2Ni4MoV的飞轮锻件，该飞轮锻件轴身直径约为φ1700mm，轴身长度约为800mm，两端轴颈直径约为φ400mm，轴身与轴颈截面差值约为1300mm，整个锻件长度约为2200mm。
步骤1、第一火次：如图2所示，采用上平砧5、下V砧7对进行钢锭进行压钳口和倒棱拔长，去锭底。
步骤2、第二火次：如图3和图4所示，使用常规镦粗下漏盘、镦粗上盖板对步骤1得到的坯料进行第一次镦粗，执行第一次镦粗处理时，将钳口端放入下漏盘2的内孔中，上盖板(图中未示出)放在坯料顶端，进行整体镦粗处理，镦比为2.4；然后采用KD上V砧8和KD下V砧9对坯料进行KD法拔长，KD法拔长时道次间错砧布置，每砧的压下率≥20％，KD法拔长的拔比为2.8。
步骤3、第三火次：如图5所示，采用上平砧、下V砧对坯料的水口端和冒口端进行拔长下料，拔出两端轴颈，其中水口端为上轴颈，冒口端为下轴颈；拔长到规定尺寸后切除水口端弃料10和冒口端弃料11，水口端轴颈长度为700mm，冒口端轴颈长度为1100mm。所述上盖板1的盖板内孔101的直径D0与所述上轴颈的直径d0的关系为D0-d0＝100mm，所述下漏盘2的漏盘内孔201的直径D1与所述下轴颈的直径d1的关系为D1-d1＝50mm，并且，下料后的轴身直径大于D0和D1。
步骤4、第四火次：如图6所示，采用实施例1的镦粗工装进行第二次镦粗处理，所述上轴颈位于所述上盖板1的盖板内孔101中，所述下轴颈位于下漏盘2的漏盘内孔201中，将轴身进行镦粗成形，所述第二次镦粗的镦比为3.7；采用上平砧、下V砧对轴身滚外圆，并将预制坯的两端轴颈进行拔长出成品。
实施例2中，下料前直径为φ1130mm，长度为410mm，弃料为2.4T。
采用实施例2的方法制备4个锻件，对实施例2得到的飞轮锻件强度指标、硬度指标以及超声波探伤进行检测。
强度指标的检测位置为：在每个锻件上取两个试样，检测其屈服强度；硬度指标的检测位置为：在每个锻件轴身上选取3个位置进行硬度检验，三个位置分别为轴身圆周方向的0°、120°和240°的均布排列。强度指标、硬度指标检测结果如表1和表2所示，可以看出：强度指标波动性小于20Mpa，硬度指标波动性小于等于10HBW，说明本发明的方法锻造的储能飞轮锻件组织均匀性好；其中，强度指标波动性和硬度指标波动性是指在材料工艺条件稳定的前提下，可以允许波动的一个差值范围，是个范围值。
超声波探伤检测，锻件心部未发现φ1.6mm当量以上的超标缺陷。
将实施例2得到的飞轮锻件选取轴身的不同部位的样品进行金相实验，每个样品的晶粒度都为4.5-5，均质性好。
表1强度指标检测结果
表2硬度指标检测结果
实施例3
按照实施例2的方法锻造飞轮锻件，不同的是，所述上盖板1的盖板内孔101的直径D0与所述上轴颈的直径d0的关系为：D0-d0＝45mm。
第二次镦粗后，上轴颈与盖板内孔101发生抱死，不容易脱模。
对比例1
采用传统轴类锻件轴身拔长下料的方法进行锻造大截面飞轮锻件。
步骤包括：
压钳口-第一次镦粗、KD拔长-第二次镦粗、KD拔长-拔长出成品，下料前直径为φ1900mm，下料长度为650mm，弃料为10.7T。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种镦粗工装，其特征在于，所述镦粗工装用于锻造储能飞轮锻件，包括上盖板(1)和下漏盘(2)；
所述上盖板(1)设置有盖板内孔(101)，所述盖板内孔(101)的直径大于预制坯上轴颈的直径；
所述下漏盘(2)设置有漏盘内孔(201)，所述漏盘内孔(201)的直径大于预制坯下轴颈的直径。
2.根据权利要求1所述的镦粗工装，其特征在于，所述上盖板(1)的高度比所述预制坯上轴颈的高度高50-150mm。
3.一种大截面储能飞轮锻件的锻造方法，其特征在于，所述锻造方法包括：
步骤1、第一火次：在钢锭的冒口端压钳口，对钢锭进行倒棱拔长和去锭底；
步骤2、第二火次：使用镦粗漏盘、镦粗盖板对步骤1得到的坯料进行第一次镦粗，并采用KD法拔长坯料；
步骤3、第三火次：对坯料的水口端和冒口端进行拔长下料，拔长后的水口端为上轴颈，拔长后的冒口端为下轴颈；
步骤4、第四火次：采用权利要求1或2所述的镦粗工装对步骤3得到的预制坯进行第二次镦粗处理，所述上轴颈位于所述上盖板(1)的盖板内孔(101)中，所述下轴颈位于下漏盘(2)的漏盘内孔(201)中；对第二次镦粗成形后的预制坯进行拔长出成品。
4.根据权利要求3所述的锻造方法，其特征在于，步骤2中，所述第一次镦粗的镦比≥1.7，所述KD法拔长的拔比≥2.5。
5.根据权利要求3所述的锻造方法，其特征在于，步骤3中，对水口端的拔长下料的长度＜所述上盖板(1)的高度H上。
6.根据权利要求5所述的锻造方法，其特征在于，所述上盖板(1)的盖板内孔(101)的直径D0与所述上轴颈的直径d0的关系为：50≤D0-d0≤150mm。
7.根据权利要求5所述的锻造方法，其特征在于，所述下漏盘(2)的漏盘内孔(201)的直径D1与所述下轴颈的直径d1的关系为：50≤D1-d1≤100mm。
8.根据权利要求3所述的锻造方法，其特征在于，步骤4中，所述第二次镦粗的镦比≥2。
9.根据权利要求3-8所述的锻造方法得到的大截面储能飞轮锻件。
10.根据权利要求9所述的储能飞轮锻件，其特征在于，所述大截面储能飞轮锻件的轴身截面直径大于1500mm，且所述大截面储能飞轮锻件的轴身与轴颈的截面直径的差值大于1000mm。
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